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  <title>http2 和 http3 | renhao</title>
  








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          <h1 class="post-title" itemprop="name headline">http2 和 http3</h1>
        

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                2020-09-24
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        <p>本文探讨下 http 协议的新版本，http2 和 http 3 <a id="more"></a></p>
<h2 id="HTTP-2"><a href="#HTTP-2" class="headerlink" title="HTTP/2"></a>HTTP/2</h2><blockquote>
<p>参考 <a href="https://daniel.haxx.se/http2/" target="_blank" rel="noopener">http2 explianed</a></p>
</blockquote>
<p>http2 ，指的是 HTTP/2 ，正式版标准 <a href="http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc7540.txt" target="_blank" rel="noopener">RFC 7540</a>，发布于 2015 年 5 月 15日。</p>
<h2 id="HTTP-现状"><a href="#HTTP-现状" class="headerlink" title="HTTP 现状"></a>HTTP 现状</h2><p>HTTP 1.1 过于庞大，包含了太多细节和可选的部分，未能充分利用 TCP 。加载网站首页需要的下载数据在数量和大小上都在增加，虽然网络带宽在增长，但网络延迟并未有对应程度的降低。</p>
<p>大多数桌面浏览器仍然会选择默认关闭 HTTP pipelining 的原因：HTTP pipelining 其实就是把多个 HTTP 请求放到一个 TCP 连接中一一发送，而发送过程中不需要等待服务器对前一个请求的响应，但客户端还是按照发送请求的顺序来接收响应，服务器还是按照顺序处理请求，如果某一个请求非常耗时后续请求都会受到影响（即线头阻塞），线头阻塞可以通过选择合适的连接或者新建 TCP 连接（开销非常大，导致资源耗费和性能损失，不具有可扩展性），HTTP pipelining 并不能彻底解决线头阻塞问题。</p>
<h3 id="一些优化方法"><a href="#一些优化方法" class="headerlink" title="一些优化方法"></a>一些优化方法</h3><ul>
<li>Spriting（精灵图）：将很多较小的图片合并成一张大图，使用时通过 JavaScript 或 CSS 将小图切割出来。通过这样的方式来提升速度。缺陷：某些页面只需要其中一两张小图时缓存大图显得过于臃肿，缓存被清除导致所有小图片被同时删除（不能选择性的保留）</li>
<li>内联：将图片原始数据（ base64 编码后的数据）嵌入 CSS 文件里的 url 中。</li>
<li>拼接：大型网站包含的大量 JavaScript 文件通过工具将这些文件合并成一个大文件，从而浏览器只花费一个请求就将其下载完。</li>
<li>分片：一个客户端对于同一主机可以同时建立 6-8 个连接，有连接上限。故网页可以采用将服务分散在尽可能的主机上，用户就能和网站建立更多的连接从而降低载入时间。</li>
</ul>
<h2 id="http2"><a href="#http2" class="headerlink" title="http2"></a>http2</h2><p>基于 SPDY ，SPDY 是 Google 牵头开发的开源协议。界限：</p>
<ul>
<li>http2 必须维持 HTTP 的范式</li>
<li>http2 不改变 http:// 和  https:// 的方式，也不增加新结构</li>
<li>http2 必须提供 http1 到 http2 服务器的代理，这种代理能够将 http2 的功能一对一地映射到 HTTP/1.1 的客户端</li>
<li>删除或者减少协议里面那些可选的部分</li>
<li>不使用小版本号，即下个版本是 http3 （无 http2.x）</li>
</ul>
<p>使用方式：</p>
<ul>
<li><p>HTTP 1.1 本身的升级方案：请求中包含一个首部字段，允许服务器收到旧协议请求的同时可以向客户端发送新协议的响应，这种方案往往花费一次额外的往返通信。</p>
<blockquote>
<p>基于 TLS 的 SPDY： NPN（Next Protocol Negotiation），TLS 的扩展去简化协议的协商，从而服务器会通知客户端所有它支持的协议让客户端从中选择一个合适的进行通信。</p>
</blockquote>
</li>
<li><p>基于 TLS 的 http2 协商：ALPN（Application Layer Protocol Negotiation），NPN 的规范标准化，区别在于谁来决定通信协议，ALAPN 中客户端先发送一个协议优先级列表给服务器，由服务器最终选择一个合适的。NPN 中客户端有着最终的决定权。</p>
</li>
<li><p>现在还没有任何浏览器支持非 TLS 的 http2</p>
</li>
</ul>
<h3 id="二进制和二进制格式"><a href="#二进制和二进制格式" class="headerlink" title="二进制和二进制格式"></a>二进制和二进制格式</h3><p>http2 是一个<strong>二进制协议</strong>，<strong>基于二进制</strong>的 http2 可以使成帧的使用变得更为便捷，同时可以更加便捷的从帧结构中分离出协议本身的内容部分。</p>
<p>http2 会发送<strong>不同类型的二进制帧</strong>，都有公共字段：Type、Length、Flags、Stream Identifier、frame payload。规范中一共定义了 10 种不同的帧，最基础的两种分别对应于 HTTP 1.1 中的 DATA 和 HEADERS，即 Header 帧和 Data 帧</p>
<h3 id="多路复用的流"><a href="#多路复用的流" class="headerlink" title="多路复用的流"></a>多路复用的流</h3><p>stream Identifier 将 http2 连接上<strong>传输的每个帧都关联到一个流</strong>，流是一个<strong>独立、双向</strong>的<strong>帧序列</strong>，http2 连接通过流实现在服务端与客户端之间不断地交换数据。每个单独的 http2 连接都可以包含多个并发的流，流既可以被客户端、服务端单方面地建立和使用，也可以被双方共享或者被任意一边关闭。接收方按照收到帧的顺序进行处理。</p>
<p><strong>流的多路复用：同一连接中来自各个流的数据包会被混合在一起，但会在终点被分开。</strong></p>
<h3 id="优先级和依赖性"><a href="#优先级和依赖性" class="headerlink" title="优先级和依赖性"></a>优先级和依赖性</h3><p>每个流都包含一个优先级，用来告诉对端哪个流更重要，资源有限时服务器会根据优先级来选择应该发送的流。</p>
<p>借助 PRIORITY 帧客户端可以告诉服务器当前流依赖于其他哪个流，可以让客户端建立一个优先级“树”，子流依赖于父流的传输完成情况。</p>
<p>优先级和依赖关系可以在传输过程中动态改变。如用户在滚动一个全是图片的页面时，浏览器就可以指定哪个图片拥有更高的优先级；或者切换标签页时，浏览器可以提升新切换的页面所包含流的优先级。</p>
<h3 id="头压缩"><a href="#头压缩" class="headerlink" title="头压缩"></a>头压缩</h3><p>HTTP 无状态协议（每个请求必须携带服务器需要的所有细节，服务器不会保存之前请求的元数据），http2 也是无状态的。</p>
<p>需要压缩原因：</p>
<ul>
<li>故当一个客户端向同一服务器请求大量资源（如图片）的时候所有的请求几乎相同（ HTTP 可重复性），这样大量一致的东西值得被压缩。</li>
<li>每个页面资源的个数上升时 cookie 和请求的大小都会增加，cookie 被包含在所有请求中并且在多个请求中经常一模一样。</li>
<li>请求的大小变得越来越大，甚至大于 TCP 窗口大小，拖累发送请求速度（需要等待 ACK 响应之后才会继续发送）</li>
</ul>
<p>HPACK，HTTP/2 头部压缩，专为 http2 头部设计的压缩格式。压缩的方法是将原来每次都要携带的大量 key value 在两端建立一个索引表，对相同的头只发送索引表中的索引</p>
<h3 id="重置"><a href="#重置" class="headerlink" title="重置"></a>重置</h3><p>HTTP 1.1 中当一个含有确切值的 Content-Length 的 HTTP 消息被发送之后很难中断，通常可以断开整个 TCP 连接，代价是需要重新建立一个新的 TCP 连接。</p>
<p><strong>http2 中通过发送 RST_STREAM 帧来实现只终止当前传输的消息并重新发送一个新的</strong>，避免浪费带宽和中断已有连接。</p>
<h3 id="服务器推送"><a href="#服务器推送" class="headerlink" title="服务器推送"></a>服务器推送</h3><p>缓存推送，当一个客户端请求请求资源 x，服务器知道它很可能也需要资源 z 的情况下会在客户端发送请求 z 之前主动将 z 推送给客户端。服务端推送需要客户端显式允许该功能，但客户端仍然能自主选择是否需要中断该推送的流（客户端通过发送 RST_STREAM 帧来中止）。</p>
<h3 id="流量控制"><a href="#流量控制" class="headerlink" title="流量控制"></a>流量控制</h3><p><strong>每个 http2 流都有自己的公示的流量窗口</strong>，可以限制另一端发送数据。对于每个流来说两端必须告诉对方自己还有足够的空间来处理新的数据，在该窗口被扩大之前另一端只被允许发送这么多数据。只有数据帧会受到流量限制。</p>
<h3 id="扩展"><a href="#扩展" class="headerlink" title="扩展"></a>扩展</h3><p>http2 强制规定了接收方必须读取并忽略掉所有未知帧（未知类型的帧），双方可以在逐跳原则基础上协商使用新的帧，但这些帧的状态无法被改变，也不受流控制。</p>
<p>扩展，被记录在核心协议规范之外，两种类型的帧已经被记录在案：</p>
<ul>
<li><p>备选服务：每个连接保持的时间变长影响到 HTTP 负载均衡器的正常工作，网站可能出于性能的考虑或者正常维护等原因会建议客户端连接到另外一个主机，服务器会通过发送 Alt-Svc 头（或 http2 ALTSVC 帧）告知客户端另一个备选服务（一条指向不同的服务源、主机或端口，可以获取同样内容的路由），客户端应尝试异步连接到该服务，如果成功即可以使用该备选服务。</p>
<p>Alt-Svc 头部意味着允许服务器基于 http:// 提供内容，同时告知客户端同样的内容也可以通过 TLS 连接来获取。但这样的连接会产生一个未认证的、在任何地方也不会被标示为安全的 TLS 连接。</p>
</li>
<li><p>阻塞：当服务端存在需要发送的内容，但流控制禁止发送任何数据时，这种类型的帧将会被发送且仅发送一次。如果接收到了此帧则连接中必有错误发生或者得到了低于期望的传输速度。</p>
</li>
</ul>
<h3 id="总结"><a href="#总结" class="headerlink" title="总结"></a>总结</h3><ul>
<li>http2 减少了网络往返传输的数量，用<strong>多路复用和快速丢弃不需要的流的方法</strong>来完全避免了线头阻塞（ head of line blocking）。机制实现应该是通过将原来的数据报分割成了二进制帧，然后乱序发送，将页面中的多个数据可以通过一个数据链接进行传输</li>
<li>支持大量并行流，故即使网站的数据分发在各处也不是问题</li>
<li>合理利用流的优先级可以让客户端尽可能优先收到更重要的数据</li>
</ul>
<p>对 web 开发：Spriting 和内联最不需要（ http2 倾向于使用更少的连接）。</p>
<h2 id="http-3"><a href="#http-3" class="headerlink" title="http 3"></a>http 3</h2><p>http 3 的传输层是 udp（tcp 存在当一个包出现问题，需要进行等待重传，虽然 http 2.0 通过流使得一个 tcp 链接上可以进行多路传输，但还是存在 tcp 包之间的阻塞情况，故 http 3 引入 udp）。保证可靠：重传</p>
<p>udp 协议之上新增了 QUIC 协议（代替 TCP 协议关于可靠、流量控制的部分）,quic 减少了 tcp、tls 的握手</p>
<ul>
<li><p>自定义连接机制：tcp 中连接是由四元组标识，源ip、源端口、目的ip、目的端口，一旦一个元素发生变化就需要进行断开重连（三次握手）。基于 udp 可以在 quic 中自行维护连接机制。</p>
<p>QUIC协议使用<strong>64位 id 取代IP和端口</strong>，这样就能实现连接迁移。例如说从4G信号切换到wifi，下层的IP和端口变了，但是由于QUIC的流ID没有变，这个连接不会变，可以继续使用这个连接。</p>
</li>
<li><p>自定义重传机制：tcp 保证可靠性，通过使用序号和应答机制来解决顺序问题和丢包问题，任何一个序号的包发送出去，都要在一定时间内得到应答，否则一旦超时会重发这个序号的包，通过自适应重传算法（采样往返时间 rtt 不断调整，存在不准确情况，即前后两次重传收到响应后的计算）。quic 有递增序列号来标识每个包，发送的数据通过在数据流里的 offset  来查看数据发送到了哪里，只要某个 offset 的包没有就需要重发。</p>
</li>
<li><p>无阻塞的多路复用：同一个 quic 连接上可以创建多个流，来发送多个 http 请求，一个连接上的多个 流没有相互依赖（基于 udp）</p>
</li>
<li><p>自定义流量控制：quic 的流量控制通过 window_update 来告诉对端它可以接受的字节数，适应多路复用机制（不但在一个连接上控制窗口，还在一个连接中的每个流中控制窗口），相比 tcp 的滑动窗口，因 tcp 中需要接受窗口的起点是下一个要接收并 ack 的包，即使后来的包都到了，也先放在缓存中，窗口不能后移，可能导致窗口之外的到了但还是要求重传（浪费带宽），quic 中的ack基于 offset，每个offset 的包收到之后进入缓存就可以应答，窗口的起始位置为当前收到的最大offset，之前的是待接收或未收到重发，从这个 offset 到当前流中能容纳的最大缓存才是真正的窗口大小。</p>
</li>
<li><p>前向纠错：quic 使用 FEC（Forward Error Correction）来恢复数据，采用简单异或的方式，每发送一组数据，对这组数据中的数据包一次做异或运算，最后的结果作为一个 FEC 包再发送出去，接收方收到后根据数据包和 FEC 包可以进行校验和纠错，比如 10 个包在编码后会增加 2 个包，接收端可以通过剩下的包来解出丢失的包而不用重发，代价就是每个 udp 数据包会包含比实际更多的有效载荷，增加了冗余和 cpu 编解码消耗。</p>
</li>
</ul>
<blockquote>
<p>参考</p>
<p><a href="https://www.cnblogs.com/chenjinxinlove/p/10104854.html" target="_blank" rel="noopener">quic 的实现机制</a></p>
</blockquote>
<h5 id="HTTP3如何工作"><a href="#HTTP3如何工作" class="headerlink" title="HTTP3如何工作"></a>HTTP3如何工作</h5><ul>
<li>我们回想一下HTTPS，HTTPS是类似于TCP握手的工作方式，先工作在HTTP1上，通过HTTP1传递交换得到秘钥，然后切换到HTTPS上工作。</li>
<li>接着我们回想一下HTTP2，HTTP2也是基于TLS的，所以HTTP2的工作方式和HTTPS也是同样的过程，需要握手建立TLS连接，只是TLS连接完成后，发送一个HTTP2的连接确认消息，确认后，客户端服务器使用HTTP2进行连接通讯。</li>
<li>最后让我们看下HTTP3如何工作。首先要建立好HTTP2连接，然后发送HTTP2扩展帧，这个帧包含IP和端口，浏览器收到扩展帧，使用该IP和端口，使用QUIC建立连接，如果成功，断开HTTP2，升级为HTTP3。</li>
</ul>
<blockquote>
<p><a href="https://www.jianshu.com/p/dd9719c4c2c1" target="_blank" rel="noopener">参考</a></p>
</blockquote>

      
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              <p class="site-author-name" itemprop="name">renhao</p>
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  <span class="author" itemprop="copyrightHolder">renhao</span>

  
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